余捷，姚立纲，吴长伦，闫晓磊，任铖铖

(1.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350116; 2.福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州350108; 3.福建万润新能源科技有限公司，福建福州350002)

一种城市公交车用混联式混合动力系统的设计研究

余捷1，2，姚立纲1，吴长伦3，闫晓磊2，任铖铖1

(1.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350116; 2.福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州350108; 3.福建万润新能源科技有限公司，福建福州350002)

在主要研究搭载ISG(integrated starter/generator)并联式混合动力城市公交车的技术背景下，设计一种搭载ISG混联式混合动力公交车的动力系统.采用以发动机效率最优为目标和以整车动力性需求为约束条件的能量控制策略，利用Cruise软件进行整车的动力性和经济性仿真.仿真结果表明，系统各工作模式切换平顺稳定，目标车速跟踪效果好.最后，在实车试验中进行参数标定和测试，证明了该动力系统方案及其控制策略的可行性.

混联式;混合动力;城市公交车;发动机效率

0 引言

相对于传统汽车而言，搭载ISG(指起动发电一体机)的混合动力车辆可增加回馈制动能量，优化驱动电机和发动机的工作效率，提高燃油经济性和降低废气排放.因此，近年来已成为国内外研究的热点［1］.

国内对这类混合动力车辆的研究主要分为ISG单轴并联型和双轴并联型两种中轻度混合动力汽车.在控制策略和研究手段方面，秦大同等［2－4］研究了ISG中度混合型的控制策略，在能量管理控制方面取得了良好的效果;朱建新等［5］通过对四驱车辆的车轮转矩分配控制和SOC的平衡控制研究，提高了配备ISG车辆的总体能量转换效率;魏长河等［6］进行了基于规则的稳态控制方法研究;邓国红等［7］利用ADVISOR软件完成了ISG并联式混合动力车模辆力矩分配糊控制策略的研究;叶心等［8］通过台架试验对ISG型混合动力汽车驱动工况控制策略进行研究;陈汉玉等［9］研究了ISG车辆的启动过程的控制策略.此外，在不同的ISG结构方面，何建辉等［10－11］对双离合器式ISG的瞬态和稳态工况进行了仿真研究;在动力能源系统方面，杜晓伟等［12］对ISG型中度混合动力汽车的电池管理系统进行了研制，特别在电池SOC(state of charge)估计方面取得了一定突破.

国外，Adhikari等［13］提出一种ISG－PHEV在线能量平衡控制策略，其本质上乃是对双轴式PHEV进行结构改进，为混合动力汽车的研发提供了新思路.Wang等［14］对混联式城市公交车的控制系统进行硬件在环仿真研究，基于动态迭代编程和神经网络思想为不同工况下的整车控制策略提供快速测试方法.Yang等［15］研究了采用ISG并联之后HCCI柴油发动机的经济性改善情况.

本研究基于以上分析，并考虑到国内目前在混合动力城市公交车方面的市场优势，针对国内对ISG混联式车辆较少研究的情况，设计了一种城市公交车用搭载ISG混联式混合动力系统，建立以发动机效率最优为目标和以功率需求为约束条件的能量控制策略.利用Cruise进行整车仿真模型的搭建以及对动力性和经济性的分析，结合实车试验进行标定和测试，证明该动力系统方案及其控制策略的可行性，也为系统优化提供了研究方向.

1ISG混联式系统结构分析

针对目前ISG单轴或双轴并联式中轻度混合动力系统在整车转矩响应慢和能量回收效率低等方面的不足，提出一套新型的混合动力总成方案，图1为整车动力系统简图.其主要结构特点有:1)该方案采用弹性联轴器连接ISG电机转子和发动机曲轴，不仅结构简单就能实现转矩耦合，又能实现减震、平缓力矩耦合冲击等作用;2)采用较大功率的驱动电机和ISG发电机可实现长时间纯电驱动，规避了目前国内同类车型因加装变速器所带来的高故障率、换挡控制策略复杂等难题，而且两台电机分工明确，有利于电机的设计制造和高效区匹配;3)采用具有高功率密度的超级电容作为能源系统，可利用城市公交车经常起停、怠速工况完成超级电容的快速充放电，这比采用寿命相对较短的动力电池系统更具可行性;4)采用气控式离合器，易于实现车辆各种运行模式的切换，特别是低速再生制动时，因离合器分离使整车动能通过驱动轮与主驱动电机的刚性连接可高效率回收制动能并保证良好的制动平顺性;5)发动机与ISG电机组成的发电系统电量直接为驱动电机供电，减少电量充放环节，提高系统效率;6)具有较好的新能源汽车动力系统平台的通用性，若去掉发动机就是纯电动汽车.

ISG混联式动力系统可同时具有串联和并联式混合动力的优点，可实现各种运行模式以满足不同行驶工况的动力需求，同时各动力部件高效率运行而达到节能减排目的.其具体实现的行车模式如表1所示.

表1 整车工作模式划分Tab.1Division of the vehicle woke mode

然而，与传统ISG并联式结构相比，ISG混联式动力系统的能量管理系统也较为复杂.因此，必须设计相应的能量平衡控制策略.

2 整车能量管理控制策略研究

对于车辆而言，因外界工况变化较大(如上坡、下坡、起步、加速、减速、制动等)导致其功率需求变化范围也较大.因此，传统发动机动力系统都配有变速系统以满足外界工况的功率需求，并提高动力源高效率运行比例.理论上，混合动力技术与之有异曲同工之处，通过优化匹配和控制发动机、驱动电机和ISG电机等多种动力源的功率耦合，可在满足整车动力性要求下保证各动力源都能工作在高效区而使整车具有较好的经济性.

目前，混合动力系统控制策略大致可分为:基于规则的稳态控制策略、基于模糊控制的智能型控制策略和基于优化算法的动态控制策略等3类.第一类主要依据工程经验以及部件的稳态效率图来确定各动力部件的动力参数匹配，并通过相关门限值的设定实现各工作模式的切换;第二类方法可不需要依赖精确的模型，利用模糊规则取代明确的规则来解决动力系统能量分配问题，具有较好的鲁棒性和自适应性;第三类则在既定驾驶循环工况下，根据最优控制理论动态分配发动机和电动机的动力，从而获得最优的燃油经济性.由于在ISG混联式动力系统可行性的验证阶段，基于规则的稳态控制策略具有比较好的调试性和鲁棒性，本研究采用该控制策略进行系统的设计和调试研究，所设计的控制逻辑结构如图2所示.

对于ISG混合动力车辆，因发动机和ISG电机转速相等，在离合器结合后与驱动电机转速相等，导致转速无法成为受控变量，转矩耦合成为系统能量管理策略的有效方法.利用PID控制策略可解决各动力部件的转矩分配，使整车具有较好的动力性，而各个部件以及系统的效率又得到优化，使整车具有较好燃油经济性.控制程序流程简图如图3所示.所需采集的控制参数输入主要有:油门踏板信号、制动踏板信号、发动机转速、驱动电机转速、离合器状态信号、行驶开关信号(前进、倒车信号)、超级电容剩余电量信号.当司机进行制动时，驱动电机进入发电模式，当制动信号强时，进入复合制动模式，保证行车安全;当司机踩油门提高动力输出时，系统根据整车状态可实现纯电动驱动、复合驱动、纯发动机驱动等模式;当超级电容电压过低时，系统强制进入发电状态.

3 动力系统仿真分析与实车试验

为了进行ISG混联式动力系统的初步参数匹配与控制策略研究，利用计算机仿真技术对整车进行正确的参数匹配、性能评估及控制策略开发.目前，混合动力汽车仿真软件很多，主要分为两类，一类是以ADVISOR为典型代表的逆向仿真软件，根据道路工况的功率需求反向推算各部件的功率;第二类是以CRUISE为典型代表的正向仿真软件，根据驾驶员的操作意图确定动力系统的功率分配以满足道路功率需求［16］.考虑到正向仿真更符合驾驶习惯，车辆模型和控制策略与实车控制逻辑相符，本研究采用CRUISE作为仿真分析手段，通过建立车辆仿真模型以及嵌入所设计的控制策略，进行整车动力性和经济性的仿真研究.图4为所搭建的仿真模型，其整车仿真基本参数和各主要部件的匹配参数如表2所示.仿真过程显示，在NEDC行驶工况下，动力系统各运行模式切换平顺稳定，并且实际车速没有出现超过最大和最小车速偏差范围(图5所示).可见，整车目标车速跟踪效果较好，达到整车动力性要求.此外，仿真结果百公里油耗为29.1 L，经济性较同等传统燃油公交车辆有较大幅度的提升(约25%).

表2 整车仿真基本参数Tab.2Basic parameters of the vehicle for simulation

图6 为实车试验相关图片说明，其中图6(a)为对当地某款公交车进行改装后的试验样车，图6(b)为车载检测系统(上位机)，可实时采集、检测各动力部件的运行状态.将基于规则的稳态控制策略思想所设计的程序，可实现整车各运行模式的切换，数据标定后各种模式运转状态，试验表明控制策略的可行性.

4 结语

1)提出一种新型的ISG混联式城市公交车动力总成系统结构方案，并对其工作原理和典型工作模式进行分析;

2)基于规则的稳态控制思想完成了整车控制策略的设计，并利用Cruise软件完成整车动力系统关键零部件(发动机、主驱电机、ISG电机、超级电容等)的参数匹配设计.仿真结果表明，所设计的动力系统满足整车动力性指标要求，其经济性较传统燃油汽车提高约25%.

3)在实车调试环境下，完成了相关门限值的标定.通过自主设计的上位监控系统和试验，表明所设计的动力系统各模式切换平稳，有较好的实用性.

［1］Rehman H.An integrated starter－alternator and low－cost high performance drive for vehicular applications［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2008，57(3):1 454－1 465.

［2］秦大同，杨阳，詹迅，等.ISG混合动力再生制动系统硬件在环仿真［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(3):1－5.

［3］叶心，秦大同，胡明辉，等.ISG型中度混合动力汽车驱动工况控制策略优化［J］.机械工程学报，2010，46(12):86－92.

［4］秦大同，叶心，胡明辉，等.ISG型中度混合动力轿车油门动态协调控制策略［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2010，33(11):1－7.

［5］朱建新，郑荣良，申其壮，等.四驱混合动力汽车车轮转矩分配策略的研究［J］.汽车工程，20l0，32(11):967－971.

［6］魏长河，王忠，梁磊.集成发电机/起动机技术混合动力的动态转矩协调控制策略［J］.上海交通大学学报，2010，44 (10):1 356－1 361.

［7］邓国红，周挺，杨鄂川，等.ISG混合动力电动汽车的转矩控制策略［J］.重庆理工大学学报(自然科学版)，2014(11): 18－23.

［8］叶心，叶明，罗勇.ISG型混合动力汽车驱动工况控制策略的试验研究［J］.汽车工程，2013，35(10):915－920.

［9］陈汉玉，袁银南，张彤，等.基于全浮式ISG电机的混合动力轿车启动过程［J］.江苏大学学报(自然科学版)，2010，3l (4):403－407.

［10］何建辉，杨林.双离合器混合动力系统瞬态工况的仿真［J］.中南大学学报(自然科学版)，2011，42(1):73－79.

［11］何建辉，杨林.双离合器混合动力系统稳态工况的仿真［J］.农业工程学报，2011，27(12):57－63.

［12］杜晓伟，任勇，齐铂金.等.ISG型中混合动力汽车镍氢电池管理系统的研制［J］.高技术通讯，2010，20(4):422－426.

［13］ADHIKARI A，HALAGMUGE S K，WATSON H.An online power－balancing strategy for a parallel hybird electric vehicle assisted by an integrated starter generator［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59(6):2 689－2 699.

［14］WANG L，ZHANG Y，YIN C L，et al.Hardware－in－the－loop simulation for the design and verification of the control system of a series－parallel hybrid electric city－bus［J］.Simulation Modelling Practice and Theory，2012，25:148－162.

［15］YANG F Y，GAO G J，OUYANG M G，et al.Research on a diesel HCCI engine assisted by an ISG motor［J］.Applied Energy，2013，101:718－729.

［16］王加雪.双电机混合动力系统参数匹配与协调控制研究［D］.长春:吉林大学，2011.

(责任编辑:沈芸)

Study and design on the powertrain system for series－parallel hybrid city－bus

YU Jie1，2，YAO Ligang1，WU Changlun3，YAN Xiaolei2，REN Chengcheng1
(1.College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China; 2.College of Mechanical and Automobile Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou，Fujian 350108，China; 3.Fujian Wanrun Ring Expressway Co Ltd，Fuzhou，Fujian 350002，China)

Under the technology background of the research mainly focus on ISG(integrated starter/ generator)parallel hybrid city－bus，a kind of powertrain system for series－parallel hybrid city－bus with ISG was designed.Based on the energy control strategy with the engine efficiency as the optimal goal and the vehicle dynamic performance requirements as the constraint condition and the use of software Cruise，the vehicle performance and fuel economy were simulated，the simulation results show that the power system work mode switch stable smoothly and the target speed tracking effect is good.Finally，after the parameters calibration and test in the real vehicle experiment，the feasibility of the power system and its control strategy was proved.

series－parallel;hybrid;city－bus;engine efficiency

U463.2

A

10.7631/issn.1000－2243.2016.06.0795

1000－2243(2016)06－0795－05

2015－09－15

余捷(1984－)，讲师，主要从事电动汽车研究，95677615@qq.com

国家自然科学基金资助项目(51275092);福建省重大科技建设平台资助项目(2014H21010011);福建省自然科学基金资助项目(2015J05088);福建省教育厅科研资助项目(JAT160322)